Optimum Scale Evaluation of Sedment Basin Design by Soil Erosion Estimation at Small Basin

소유역의 토사유실량에 따른 유사저류지 설계적정성 검토 Optimum Scale Evaluation of Sedment Basin Design

by Soil Erosion Estimation at Small Basin

이상진* ･ 이배성** ･ 최 현*** ･ 곽영주****

Lee, Sang Jin ･ Lee, Bae Sung ･ Choi, Hyun ･ Kwak, Young Joo

要 旨

최근 빈번하게 발생하는 집중호우는 지표면의 침식을 가중시켜 막대한 양의 토사유출을 초래하고 있으며 이렇게 , 유실된 토사는 하천의 통수단면을 감소시키고 탁수를 유발하는 등의 환경문제의 원인이 되고 있다 본 연구에서는 . 유사저류지의 규모의 적정성을 검토하기 위하여 지형정보자료를 활용하여 범용토양유실공식을 적용한 후 소유역의 토사유실량 (Soil Erosion) 을 분석하고 저류지 용적규모와 비교 평가하여 유사저류지 규모의 적정성을 검토하였다 ･ . 분석결과 대상유역의 토사유실량 및 설계퇴적량은 각각 72.1m

및 85.0m

로 산정되어 유사저류지 규모는 적정한 것으로 분석되었다 또한 . Hec-Ras 모형을 이용하여 수위상승으로 인한 제내지의 침수피해를 방지하기 위한 제방고를 산정하여 유사저류지의 수리학적 안정성을 평가하였다.

핵심용어 : 토사유실 탁수오염 유사저류지 , , , GIS, Hec-Ras

Abstract

The recent frequent heavy rainfall has caused an increased in soil erosion and the soil drain which drained soil has caused decreased in channel radius and environmental problems by turbidity. In this study, the optimum size of the sediment basin was tested with soil erosion estimated from the Universal Soil Loss Equation (USLE) in the basin using by GIS data. The results show that the estimated soil erosion and the designed soil deposit are 72.1 m

and 85.0 m

respectively and the size of sediment basin is proper. In this study the water depth was calculated from the Hec-Ras model to test the stability of the bank and to prove submersion of the inside fields from stream overflow.

Keywords : Soil erosion, Contamination by turbid water, Sediment basin, GIS, Hec-Ras

서 론 1.

토지이용의 변화 및 식생의 파괴는 토양침식이나 퇴적 을 유발하게 되며 한 유역에서 생산되는 토사량은 대부 , 분 강우에 의해 지표면이 침식되어 발생하게 된다 최근 . 들어 빈번하게 발생하는 집중호우는 지표면의 침식을 가 중시켜 막대한 양의 토사유출을 초래하고 있으며 이렇 , 게 유실된 토사는 하천에 유입되어 하천의 통수단면을 감소시킴으로써 홍수범람의 원인으로 작용하고 있다.

또한 토양침식에 따른 토사유출은 하천에 유입되어 탁 수를 발생시켜 수질을 악화시키며 주변 식생의 변화에 , 따른 작물생산성과 토양조절능력이 저하되는 등 환경문

제의 주요 원인인 된다 이와 같이 하천의 통수능을 저해 . 하고 수질 악영향을 저감시키는 구조적인 방법중 하나가 유사저류지의 설치이다 그러나 집중호우시 유사저류지 . 가 유입되는 강수량을 수용하지 못할 경우 오히려 흐름 , 을 방해하는 요소로 작용하게 되고 토사가 유출되어 인 근 지역의 피해를 가중시킨다 따라서 하천 유량의 원활 . 한 흐름을 방해하지 않고 탁수도 원활하게 침강시키기 위해 유사저류지의 적정규모의 설계는 매우 중요하며 이 를 위해서는 유역의 토사유실량을 정확하게 산정하여 연 간 생산토사량을 추정해야한다.

유역에 발생하는 생산토사를 보다 정확히 산정하고자 한 선행연구로 김주훈 등 (2003) 과 박경훈 (2003) 은 RUSLE

년 월 일 접수 년 월 일 채택

2007 4 3 , 2007 5 4

* 정회원 한국수자원공사 수자원환경연구소 선임연구원 ･ ([email protected])

** 교신저자 한국수자원공사 수자원환경연구소 위촉연구원 ･ ([email protected])

*** 정회원 경남대학교 공과대학 토목공학과 교수 ･ ([email protected])

**** 정회원 ･ Center for Environmental Remote Sensing, Chiba University, JAPAN, 박사과정 ([email protected])

연구논문

김주훈과 오덕근 (2004) 은 RUSLE 모델을 활용시 다양 한 강우빈도를 고려한 강우침식인자를 계산하였으며 이 , 근상 (2006) 은 임하호 및 안동호의 토사유실량을 산정하 여 비교 평가한바 있다 그러나 기존의 연 ･ . 구는 토사유실 량의 산정과 비교 평가에 대한 연구가 이루어 졌으며 실 제 유사저류지의 적용에 대한 연구는 미비하였다 따라서 . 본 연구에서는 유사저류지의 규모의 적정성을 검토하기 위하여 GIS 를 기반으로 유역의 지형특성을 분석하고 상 대적으로 사용이 용이한 USLE 을 활용하여 소유역의 토 사유실량을 분석한 후 저류지 용적규모와 비교 평가하여 ･ 설계된 유사저류지 규모의 적정성을 검토하고자 한다.

그리고 유사저류지 설치에 따른 수리학적 안정성을 검토 하기 위하여 유사저류지의 수리학적 영향구간의 지형단 면을 측정하여 Hec-Ras 모형을 이용하여 유역내 수리학 적 거동양상을 모의 분석하고자 한다. ･

용하여 다음 그림 에서 보는 바와 같이 유사저류지가 1 설치되어있는 번 소유역 등 총 개의 소유역으로 분할 1 4 하였다 또한 그림 . 2 와 같이 DEM 자료를 작성한 후 및 프로그램을 이용하여 분석대 ArcView 3.2a WMS 6.0

상 유역의 지형특성 자료를 추출하였다 분석결과 표 과 . 1 같이 분석대상 유역의 총유역면적은 2.032km2 인 소유역 에 해당되고 유역평균경사가 , 20% 이상인 급경사 산지하 천으로 분석되었다 .

또한 분석대상 유역의 토양상황을 분석하기 위하여 그 림 과 같이 정밀토양도 3 (1:5,000) 의 분류체계를 참고하여 소유역 토양군으로 재분류하였다 대상 유역의 토양은 주 . 로 암쇄토 퇴적토 암석노출지로 구성되었으며 유역의 , , , 약 79% 에 해당하는 면적이 암쇄토로 이루어져 있는 것 으로 나타났다 .

6 9 . 7

8 4 . 5 ( 언 지 )

1 4 7 . 5 다 원1 구 공 동 묘 지

다 죽 리 3 3 4 . 5

4 2 . 6

4 3 . 5 5 5 . 3

1 0 2 . 0 1 4 0 . 3 1 3 9 . 5 1 0 1 . 4

2 4 . 0

6 0 . 2 6 5 . 7

5 2 . 5

1 4 7 . 3 1 3 8 . 0 3 . 6

1 4 4 . 0 1 3 4 . 3

8 5 . 5

6 7 . 2 8 5 . 7

7 7 . 9

8 2 . 0 8 9 . 7

8 8 . 0 1 1 7 . 0

1 6 3 . 4 1 2 5 . 6

1 0 3 . 5 1 3 9 . 0 1 8 8 . 5

2 0 3 . 2 1 7 2 . 0

2 2 6 . 0

1 8 7 . 0 2 9 8 . 9

3 1 5 . 2 4 0 8 . 0

4 5 8 . 7 4 8 0 . 5

5 3 8 . 1

6 4 . 8 꾀 꼬 리 봉

밤 나 무 단 지

무 등 소 류 지 다 원

다 원

골

다 원 공 동 묘 지

4 2 5 4 0 0 3 7 5

2 0 0

1 0 0

1 5 0

( 중 각 단 ) ( 넘 어 골 ) ( 다 원 1 구 )

( 다 원 2 구 ) 봉 답 들

산 외 면

1 9 3 . 5

7 7 . 5 2 1 6 . 0 1 9 8 . 0

2 3 3 . 9 2 6 7 . 2

3 5 3 . 0 2 8 3 . 0

3 1 0 . 5

1 7 5

다 죽 공 묘 지 ( 죽 남 리 ) 평 전 산 1 2 3 . 3

유 입 부 # 0 1

유 입 부 # 0 2 유 입 부 # 0 3

출 구 부

그림 1. 분석대상 소하천의 유역분할 그림 2. 분석대상 유역의 DEM 작성

표 1. 분석대상 유역의 지형 특성인자 소유역

번호

유역 면적(km

)

유역 둘레(km)

유로 연장(km)

유로 경사

유역평균 폭(A/L)

형상계수 (A/L

)

유역평균 고도(EL.m)

유역 평균경사

최고표고 (EL.m)

최저표고 (EL.m)

#01 0.585 3512.834 1.508 0.17669 0.388 0.257 133.990 0.30921 405.00 45.000

#02 1.055 5252.636 2.434 0.13021 0.433 0.178 223.593 0.39530 535.00 31.565

#03 0.286 3217.483 0.988 0.12022 0.289 0.293 110.067 0.28986 264.838 30.000

#04 0.105 1906.702 0.533 0.02656 0.198 0.371 55.3610 0.25705 116.304 27.642

토사유실량 산정 3.

토사유실량의 측정은 일반적으로 유역 특성이 유사한 지역의 토사유실량 실측자료를 이용하거나 모델을 활용 하여 산정하고 있으나 토양유실량의 정확한 추정은 현실 적으로 매우 어려운 일이다 범용토양유실공식인 . USLE 모델은 장기간의 토사유실량을 산정하는데 널리 사용되 어 왔으며 , 1960 년대에 농경지에서의 토사유실량을 예측 할 목적으로 미국의 Wischmeier 와 Smith 에 의해 개발되 었다 . USLE 모델은 강우침식인자 (R), 토양침식인자 (K), 지형인자 (LS), 식생피복인자 (C) 그리고 경작인자 (P) 로 구 성되어 있다 . Renard 등 (1991) 은 USLE 의 한계를 극복하 기 위해 개발한 개정범용토양유실공식 (Revised USLE) 을 기법에 활용하여 강우침식인자를 상세하게 분석한바 GIS

있다 본 연구는 . 소유역의 유사저류지 규모의 적정성을 검토하기 위한 것으로 상대적으로 간편한 USLE 방법을 활용하여 유사저류지의 용적량과 비교 평가하였다 토사 ･ . 유실량(  ) 는 강우침식도 (  ), 토양침식성 (  ), 무차원 지 형 길이 및 경사 인자 ( ) (  ), 식생피복인자 (  ), 경작인자 (  ) 의 곱인 다음 식 (1) 을 이용하여 산정하였다 .

  ∙ ∙ ∙∙ (1)

강우 침식도

3.1 (  ) 산정

강우 침식도(  ) 란 매년 발생하는 강우의 침식능력을 말하며 국내에서는 정필균 등 , (1983) 이 기상청 산하 51 개 관측소의 6 21 ～ 년간 자료를 이용하여 각 관측소별 강우 침식 인자  을 산정하였다 박정환 등 . (2000) 은  (MJ/ha･

값 산정을 위해 전국 개 지점 관측소의 년간

mm/hr) 53 24

강우자료를 이용하여 등강우 침식도를 작 (1973 1996) ～

성한바 있다 본 연구에서는 위의 두가지방법을 활용하였 . 는데 유사저류지의 안정성을 감안하여 상대적으로 약간 크게 산정된 최근의 연구 결과인 등강우 침식도를 이용하 여 분석대상 유역의 강우침식 인자  값을 산정하였다 .

토양 침식성

3.2 (  ) 산정

토양 침식성 인자  는 강우에 의한 침식에 대해 토양 이 저항하는 능력을 나타내는 척도로서 , Wischmeier 등 (1971) 의  값 추정도표 , Wischmeier 와 Smith(1965), 그 리고 Erickson(1977) 의 삼각형 도표와 보정표 등을 이용 하여 추정할 수 있다 본 연구에서는 . Wischmeier 와 Smith

이 제안한 식을 이용하여

(1965)  값을 산정하였으며 국 , 립방재연구소 (1998) 에서 제시한 토양통별 입경분포 및 토성을 표 와 같이 가지 즉 마산 안룡으로 구분하여 2 2 , 산정하였다 또한 .  값 추정을 위한 인자인 토양구조 코 그림 3. 소유역의 토양도 및 토성

표 2. 토양통별 K 값 토양통

입경분포(%) 유기물

함량 O.M.

자갈 gravel

>2mm

모래 sand 0.1~2.0

극세사 vfs 0.05~0.1

이토 silt 0.002~0.06

점토 clay

<0.002

마산 31.1 37.0 5.6 41.2 16.2 1.79

안룡 3.8 42.0 28.0 24.5 5.5 1.54

에는 두 가지 지형인자가 고려되며 하나는 배수 USLE

구역의 길이 (  ) 이고 다른 하나는 배수 구역의 경사 , (  ) 로

와 은

Wischmeier Smith(1978)  라는 하나의 인자로 추 정할 수 있는 무차원 공식을 제안하였다 지형인자 . (  ) 산 정을 위해 그림 와 같이 대상유역의 경사도를 작성하여 4 매개변수  ,  및  을 각 통양통 별로 추정하였다 지형인 . 자 (  ) 를 산정한 결과 표 와 같이 마산 토양통은 5 2.209, 안룡 토양통은 1.599 으로 산정되었다 .

식생피복인자와 경작인자 3.4

식생피복인자(  ) 는 등고선 경작 (contouring), 띠 경작 테라스경작 등 토양 보전을 (strip- cropping), (terracing)

위한 대책의 효율성을 나타내는 무차원값으로 , Wischmeier 와 Smith(1965) 는 사면경사별 각종 침식조절 대책에 따 른 적정한  값을 제시하였고 , Morgan(1994) 은 USLE 모 형에 사용되는 토양보전대책 인자 값을 산정하였다 .

작물관리 인자(  ) 는 전작 경작법 작물 잔류물 처리 , , , 생산성 수준 그 밖에 특별한 작물 재배법 등 작물의 재배 , 와 수확을 위한 실제 농경지 관리특성을 나타내는 무차 원 값으로 , Haan(1994) 은 건설현장 광산지역 산림지역 , , 에 대한  값을 작성한바 있다 본 연구의 대상유역은 유 . 역 대부분이 산림과 밭으로 이용되고 있는 것으로 분석 됨에 따라 Morgan(1994) 및 Haan(1994) 이 제안한 방법 을 사용하여  와  를 각각 0.5 및 0.003 으로 산정하였다 .

유역의 생산 토사량 산정 3.5

강우침식도 (  ), 토양 침식성 인자 (  ), 지형인자 (  ), 작물관리인자 (  ) 및 침식조절대책 인자 (  ) 를 결정하여 대상유역에 대한 토사유실량을 토양통 별로 산정하여 표 에 정리하였다 이로부터 연간 유사발생량은 6 . 190.994

으로 산정되었으며 퇴사용적으로 환산

tons/year , (72.073m

) 하여 유역에서 발생된 토사가 연간 유사저류지 퇴사량을 결정하였다 .

표 5. 지형인자 (LS) 추정 결과

토양통 면적

km

사면길이 (km)

경사도 (%)

m

경사에 따라 변하는 지수

( ) LS

마산 0.463 0.153 7.944 0.5 2.209

안룡 0.091 0.128 6.697 0.5 1.599

표 3. 토양침식성 인자 (K) 산정

토양통 입경분포(%) 유기물

함량(%)

토양 구조

코드 투수도

실트 극세사 / 점토

마산 42.6 16.2 1.79 2 3

안룡 70.0 5.5 1.54 2 3

표 4. 방법별 K 값 비교

토양통 구분

K(ton/ha/R) Erickson

방법

Wischmeier 도표

Estmated

마산 0.26 0.25 0.24

안룡 0.65 0.45 0.50

그림 4. 소유역의 사면 경사도

유사저류지 규모의 적정성 검토 4.

유사저류지의 수면적 설계 4.1

유사저류지에서의 한 토립자가 월류하지 않고 유사저 류지내에 침전되기 위한 최소 수면적은 유사저류지의 용 량이나 수심과 관련이 없으며 단순히 유사저류지내의 , 유량과 토립자의 침강속도에 의해 결정된다 그러나 이 . 와 같은 조건은 이상적인 유사저류지의 경우에 국한되며 , 실제 유사저류지의 불완전성과 난류 등의 영향으로 인하 여 침전효과는 감소하게 된다 따라서 . EPA(1978) 에서는 이러한 점을 고려하여 이론적으로 산정된 소요수면적의 를 소요 수면적으로 설계할 것으로 권장하고 있으 120%

며 다음 식 , (2) 와 같다 .



 



(2)

여기서 

는 침사지의 소요 수면적 (m

) 이며 ,  는 유사 저류지내 유입유량(m

/s) 으로 일반적으로 침사지 설계 시

년 빈도 설계홍수량을 사용한다

10 . 

는 토사 입자의 평

균 침강 속도 (m/s) 이다 .

유사저류지의 소요 수면적 ( 

) 을 결정하기 위해서는 우선 유사저류지내로 유입되는 특정입자의 침강속도를 산정하여야 하며 본 연구에서는 그림 와 같이 , 5 Yang 이 제안한 입경 및 입자의 형상에 따른 침강속도 (1996)

산정도표를 이용하여 추정하였다 본 연구의 분석대상 . 유역에서 발생하는 생산 토사의 입경분포는 대부분 자갈 및 모래로 구성되어있으며 따라서 유역내 발생되는 평 , 균토사입경이 1.0mm 인 것으로 하였다 유사저류지로 유 . 입하는 토사입경 1.0mm 에 대한 침강속도는 그림 에서 5 보는 바와 같이 14cm/sec 로 추정되었으며 , 10 년 빈도 홍 수량 9.552m

/sec 에 대한 유사저류지의 소요 수면적은 67.214m

인 것으로 분석되었다.

유사저류지 규모의 타당성 4.2

유사저류지의 용적 및 규모 소요 수면적 의 적정성을 ( ) 검토하기 위하여 설계퇴적량 침사지의 용적량 과 유역의 ( ) 생산토사량을 비교 평가 하였다 표 과 같이 저류지의 ･ . 7 설계 수면적은 침사지 소요 수면적보다 큰 것으로 분석 되어 유사저류지에 대한 설계가 용적량 및 퇴사관리의 효율 측면에서 타당한 것으로 판단되며 저류지내 퇴적 , 된 토사를 홍수기 전 후로 하여 년 회 제거하여 침사지 ･ 1 의 기능을 유지할 수 있을 것으로 사료된다.

유사저류지의 수리학적 안정성 4.3

유사저류지 설치에 따른 수리학적 안정성을 검토하기 위하여 유사저류지의 수리학적 영향구간의 지형단면을 측정하여 , Hec-Ras 모형을 이용한 수리학적 모의분석을 실시하였다 유사저류지 구간내 좌 우측 제방고 및 퇴적 . ･ 에 따른 흐름 변화 분석을 위해 그림 , 6 및 그림 과 같이 7 퇴적된 토사를 제거한 경우와 년간 유역 생산토사량의

가량이 저류지내 퇴적되었을 경우 퇴적 깊이

1/2 ( : 0.42m)

로 구분하여 모의분석을 실시하였다.

분석결과 10 년 빈도 설계홍수량 (9.552m

/s) 에 대해 유 사저류지 설치 예정구간의 최대수심은 2.02m 이고 최대 , 표 6. 분석대상 유역의 생산 토사량 산정 결과

토양통 유역면적

(ha)

R (J/ha mm/hr) ･

K

(tons/ha/R) LS C P

토사 침식량 (tons/ha/year)

년간유사량 (tons/year)

퇴사용적 (m

) 마산 46.310

4,000 0.24 2.209 0.003 0.5 3.180 147.286 55.579

안룡 9.112 0.50 1.599 0.003 0.5 4.797 43.708 16.494

계 55.422 190.994 72.073

그림 5. 입경 및 입자의 형상에 따른 침강속도(Yang, 1996)

표 7. 유사저류지 규모의 적정성 검토 년간 유역 생산

유사량 (tons/year)

용적량(m

) 퇴사관리 규모(m

) 설계

퇴적량 생산 토사량

설계 수면적

소유

수면적

190.994 85.0 72.073 85.0 67.214

유속은 하류보 직하류단면 (No.26) 에서 약 1m/s 으로 발생 하였다 또한 유사저류지내 토사의 퇴적 퇴적깊이 . ( : 0.42m) 으로 인한 수위 상승은 0.03m 으로 나타났으며 유속의 , 변화 양상도 극히 적은 것으로 분석 되었다 이것은 유사 . 저류지내의 퇴사에 의하여 미치는 수리학적 영향은 미미 한 것을 의미하는 것으로 저류지 설치로 인한 수위상승 으로 인해 제내지의 침수피해를 방지하기 위해서는 저류 지 바닥면을 기준으로 하천설계기준 해설 ･ (2005) 을 참고 하여 최소 2.5m 의 제방고로 안정성을 확보할 수 있을 것 으로 판단된다.

결 론 5.

본 연구에서는 유사저류지의 규모의 적정성을 검토하 기 위하여 상대적으로 사용이 용이한 범용토양유실공식 인 USLE 을 활용하여 소유역의 토사유실량을 분석하고 저류지 용적규모와 비교 평가하여 설계된 유사저류지 규 ･ 모의 적정성을 검토하였다 강우 침식도 . (  ) 는 정상년 강

강우에 의한 침식에 대해 토양이 저항하는 능력을 나타 내는 척도로서 유역의 토양통별 입경분포 및 토성을 구 , 분하여 산정하였다 산정된 .  값은 Wichmeier 의 도표법 및 Erickson 방법과 매우 근사한 결과를 나타내었다 지 . 형인자 (  ) 산정을 위해 유역의 경사도를 작성하여 매개 변수  ,  및  을 각 통양통 별로 추정한 결과 마산 및 안룡 토양통은 각각 2.209 및 1.599 으로 산정되었다 식 . 생피복인자 (  ) 및 작물관리 인자 (  ) 는 토양 보전을 위한 대책의 효율성 및 실제 농경지 관리특성을 나타내는 무 차원값으로 , Morgan(1994) 및 Haan(1994) 이 제안한 방 법을 사용하여  와  를 각각 0.5 및 0.003 으로 산정하였 다 이를 토대로 유역의 생산 토사량 산정 결과 대상유역 . 의 토사유실량 및 설계퇴적량은 각각 72.1m

및 85.0m

인 것으로 분석되어 설계된 유사저류지의 규모가 적정한 것으로 분석되었다 또한 유사저류지의 수리학적 안정성 . 을 평가하기 위하여 Hec-Ras 모형을 이용하여 모의 분석 한 결과 유사저류지내 토사의 퇴적 퇴적깊이 ( : 0.42m) 으 로 인한 수위 상승은 0.03m 로 극히 미미하였다 따라서 . 유사저류지 설치로 인한 수위상승으로 인해 제내지 의 침수피해를 방지하기 위해서는 저류지 바닥면을 기준으 로 최소 2.5m 의 제방고로 안정성을 확보할 수 있을 것으 로 판단된다.

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